Российские ученые смоделировали движение смесей в сепараторе с криволинейными вставками

Российские ученые разработали математическую модель течения двухфазной среды – смеси, состоящей из жидкости и твердых включений, – в специальных устройствах, предназначенных для ее разделения на составные компоненты. В таких устройствах – сепараторах – есть вращающиеся вставки, помогающие разделить смесь, и исследователи проанализировали работу таких вставок криволинейной формы. Подобного типа сепараторы широко используются в производстве для разделения и удаления нежелательных компонентов из различных смесей. Результаты исследования были опубликованы в журнале «Lobachevskii Journal of Mathematics».

Сепараторы часто используются в химической, нефтехимической и пищевой промышленностях для разделения многокомпонентных смесей. Вращающиеся вставки, находящиеся внутри этих устройств, помогают разделить смесь на тонкие слои, отделяя осадок от жидкости. К примеру, в нефтегазовой сфере сепаратор, благодаря разнице в плотности веществ, отделяет нефть от воды и газа. Смесь, поступая в сепаратор, при вращении вставок делится на составные компоненты: включения поднимаются наверх из-за низкой плотности, следующим слоем оказывается нефть, а вода, как самое плотное вещество, остается на дне.

В настоящее время на производствах чаще всего встречаются сепараторы с вставками конической формы. В них движение смеси осуществляется таким образом, что вставки направляют жидкость к стенкам, а включения, будучи более легким, скапливаются в центре. В то же время существуют и другие формы вставок, работа которых остается малоизученной: например, криволинейные.

Криволинейные вставки создают вихревое движение внутри сепаратора таким образом, что смесь разделяется под воздействием центробежной силы. В криволинейных вставках, в отличие от конических, расстояние от смеси до центра вращения и расстояние между вставками – это значения непостоянные. Следовательно, вычисление этих величин вызывает трудности.

Ученые из Казанского государственного архитектурно-строительного университета и Казанского государственного аграрного университета (Казань) исследовали процесс движения смеси между криволинейными вставками сепаратора с учетом начального участка, где происходит изменение скорости потока. Математическая модель сепаратора с криволинейными вставками, которую построили авторы, позволила рассчитать движение двухфазной среды в таком устройстве и оценить эффективность разделения смеси в нем.

Для проведения расчетов исследователи использовали уравнения, описывающие движение смеси в ортогональной системе координат. Исследователи представили поток в виде нескольких параллельных слоев, через которые протекает одинаковое количество жидкости и частиц. Причем скорость движения смеси в этих слоях различалась между собой, что наглядно показывало ее распределение в потоке и ее зависимость от формы вставки.

Ученые отмечают, что на начальном участке сепаратора равномерная скорость движения смеси приобретает параболический вид. Вызвано это тем, что скорость потока вблизи стенок уменьшалась, а в центре, наоборот, увеличивалась. При увеличении скорости вращения вставок меняется скорость движения жидкости и частиц, становясь ассиметричным.

Ученые также отмечают, что использование сепараторов с криволинейными вставками позволит эффективнее разделять смесь на составные компоненты. Это объясняется тем, что в этом случае на смесь действует большая центробежная сила, а путь который должны пройти плотные компоненты до дна, сокращается благодаря уменьшению расстояния между вставками.

Математическая модель, которую предложили ученые, позволяет рассчитать движение смеси в сепараторах с криволинейными вставками. До недавнего времени в центре внимания научного сообщества оставались в основном конические вставки. Данная модель поможет в исследовании более эффективных и быстрых криволинейных вставок.

Материал подготовлен при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».